Complementação de equipamentos rotativos turbinas

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Complementação de equipamentos rotativos turbinas

  1. 1. Curso dde Complemmentação dee Equipamentos Rotativvos 1
  2. 2. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 2 Conteúdo: 1 – Turbinas a Gás Pág. 03 2 – Turbinas a Vapor Pág. 71 3 – Turbinas Hidráulicas Pág. 89 4 – Referências Bibliográficas Pág. 97
  3. 3. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 3 1 - Turbinas a Gás Introdução a Turbina a Gás 1- Introdução O uso da turbina a gás como máquina motora tem sido um sonho bastante antigo dos Engenheiros. A evidência disto é a grande quantidade de estudos no decorrer da história. Em 150 A.C., um filósofo e matemático egípcio, Hero, inventou um brinquedo, o “Aeolipile”, que rodava sobre uma pequena caldeira de água (Figura 1.1). Ele verificou o efeito da reação do ar quente ou o vapor movimentado por alguns bocais sobre uma roda. Figura 1.1 – O “Aeolipilo” de Hero Em 1232 os chineses começam a utilizar foguetes como armas. A invenção da pólvora usa o princípio da reação para lançar os foguetes. Em 1500, Leonardo da Vinci desenhou um esboço de um dispositivo, o “macaco de chaminé”, que girava pelo efeito dos gases quentes subindo a chaminé. Ele criou um dispositivo que usava o ar quente para girar um espeto. Figura 1.2 – O macaco de chaminé de da Vinci
  4. 4. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 4 Em 1629, Giovanni Branca desenvolveu uma oficina de estampagem que usava jatos de vapor para girar uma turbina que então, fornecia trabalho para as máquinas (Figura 1.3). Figura 1.3 – A turbina de Giovanni Branca Em 1687, Sir Isaac Newton anuncia as leis do movimento. Especificamente, a 3ª Lei de Newton afirmava haver um equilíbrio entre ação e reação: “Para cada ação haverá uma reação de mesma força e intensidade mas em sentido oposto”. Um exemplo dessa lei pode ser observado na Figura 1.4. Quando o balão está fechado as forças se equilibram, são iguais em todas as direções. Ao soltar o ar, ocorre uma ação que desequilibra o sistema. A força a esquerda é maior, movendo o balão. Baseado nessas leis, Newton imaginou um veículo movido por jatos de vapor - Figura 1.5. Estas leis foram a bases da teoria da moderna propulsão. Figura 1.4 – A 3ª Lei de Newton Figura 1.5 – A carruagem de Isaac Newton
  5. 5. 17 Du co En foi tes A primeira 791 pelo in Figur Dentre as umbell, In onsideraram ntretanto a i concebid stes some (a) S a concepç glês John ra 1.6 – De s idéias o glaterra, m todos os a primeira t da por J. F nte ocorre Soprador a ção da turb Barber - F esenho da originais e 1808 e B s compone turbina a g F. Stolze ( ram entre Figura axial múltip bina a gás Figura 1.6. 1 2 3 4 5 primeira p e subseqü Bresson, F entes das gás com co (1872), a p 1900 e 19 1.7 - Turbi plo estágio aqu Curso d s e seu co – Turbina 2 – Compre 3 – Câmara 4 – Recepto 5 – Produto patente de ente pate França, 18 atuais turb ombustão a partir da p 904 conform ina a gás c (b) turbina uecedor de de Complem nseqüente a essor de A a de Comb or or de Gás uma turbin nteamento 837, os q binas com a pressão patente de me indicad construída a de reação e ar. mentação de e patentea Ar ou Gás bustão na a gás (J o é impor quais, em combustão constante Fernlhoug do na Figur por Stolze o de múltip e Equipame mento foi John Barbe rtante men suas co o a pressã , realmente gs e cuja ra 1.7. e plo estágio ntos Rotativ proposta e er, 1791) ncionar Jo ncepções ão constan e construíd fabricação o (c) Pré vos 5 em ohn já nte. da, o e
  6. 6. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 6 É interessante observar que as melhores concepções e arranjos foram introduzidos a partir dos meados do século XIX ocasião em que os estudos teóricos de termodinâmica (Dalton, Lord Kelvin, Joule, Brayton) tiveram um grande desenvolvimento. Apesar dos esforços no desenvolvimento da turbina a gás, somente no início deste século é que surgiram os primeiros resultados efetivos, embora com um nível de rendimento muito baixo, pois naquela época ainda havia limitações de conhecimentos de aerodinâmica e de metalurgia. Como já mencionado Stolze construiu sua turbina a gás entre 1900 e 1904 e, conforme indicado Figura 1.7, ela era composta de uma turbina de reação múltiplo estágio bem como um compressor axial de múltiplo estágio. Além disso, ele utilizou também um trocador de calor para o pré aquecimento do ar antes da camada de combustão (pressão constante), utilizando para tal o próprio gás de escape da turbina. Apesar desta construção genial, pouco sucesso foi atingido principalmente devido ao baixo rendimento tanto do compressor como da turbina e também da temperatura máxima em função dos materiais disponíveis na época. Na mesma época (1903) – Armengaud e Charles Lemale também construíram e testaram, na “Sociedade Anônima de Turbomotores” em Paris, uma turbina a gás cuja particularidade era a injeção de água para resfriamento. Apesar dos esforços o resultado foi também insatisfatório pois não se conseguiu potência útil alguma. Neste caso foi utilizada uma turbina Curtis e a compressão se fez com um compressor centrífugo de fabricação da empresa Brown Boveri. Neste mesmo período (1903) a General Electric Co. iniciou o desenvolvimento de uma turbina a gás sob orientação do Dr. Sandford A. Moss, da Universidade de Cornell, que realizou em seu trabalho de doutorado (1902) o primeiro estudo do assunto nos Estados Unidos. É interessante observar que nestes primeiros estudos a potência consumida pelo compressor era maior do que a fornecida pela turbina, o que implicava no uso de energia externa para o seu funcionamento (no caso acima mencionado foi utilizado uma turbina a vapor). Mesmo assim estes trabalhos foram válidos, pois como se sabe a GE é, no momento, um dos grandes fornecedores de turbinas tanto para uso aeronáutico como industrial. Percebendo que os fracassos no desenvolvimento das turbinas eram atribuídos à limitação tanto da temperatura máxima como da relação de pressão conseguida nos compressores, Holzwarth, em 1909, na Alemanha, mudou a concepção do projeto da turbina considerado a combustão a volume constante (turbina a explosão) em vez de ser a pressão constante. Com isto ele eliminaria a limitação do aumento de pressão conseguido nos compressores. Quanto à limitação de temperatura foi utilizado um sistema de resfriamento a água, logo uma menor massa de ar foi necessária. O fato da combustão se processar a volume constante possibilita que o ar seja comprimido a uma pressão de apenas cerca de ¼ daquela necessária ao processo de combustão a pressão constante. A firma Brown Boveri chegou a construir uma turbina (Holzwarth) em 1913 projetada para uma potência de 1000cv, a qual montada e testada forneceu somente 200 cv. O seu desenvolvimento continuou e em 1938 a BBC, em Mannheim, chegou a fabricar com relativo sucesso uma turbina de 5000cv, atingindo um rendimento global de 20%.
  7. 7. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 7 Figura 1.8 – A Turbina a Gás de Holzwarth A Westinghouse Electric and Manufacturing Comp., USA, iniciou em 1913 o seu desenvolvimento de turbina a gás, com base em uma patente de Bischof. Diversas outras tentativas foram realizadas como a de Karavodine, na França (1908), Stauber (1918) na Alemanha, mas ainda com pouco sucesso. Em 1935, Profs. Dr. Ackeret e Dr. Keller T.H., Zürich. Em 1920, Dr. A. A. Griffith desenvolveu uma teoria de projetos de turbinas baseada no fluxo de gás. É interessante observar que até 1937 todos os desenvolvimentos de turbinas a gás eram com finalidade industrial e não conseguiam concorrer com o motor alternativo a pistão, devido ao seu baixo rendimento (máximo 20%). Um pouco antes do início da 2ª guerra mundial esforços foram realizados no desenvolvimento de turbinas para uso aeronáutico, devido principalmente a sua características de baixo peso e, pequeno volume. Ao mesmo tempo, Whittle (Figura 1.9), em 1930 concebeu e patenteou o uso da reação ou jato como meio propulsor e, neste caso, o uso de turbinas a gás tornou-se imprescindível. Whittle desenvolveu o primeiro motor com essa finalidade em 1937 - Figura 1.11 Figura 1.9 – Frank Whittle Em 1936, no mesmo tempo que Frank Whittle estava trabalhando na Grã-Bretanha, Hans Von Ohian e Max Hahn, estudantes na Alemanha desenvolveram e patentearam o seu próprio projeto de turbina.
  8. 8. Fig o ae me é q us Em 27 de gura 1.10) Motor: Turbojato Empuxo ( Empuxo ( Pesos: Vazio: 162 Carregado Nesta me uso de ja erodinâmic elhores co Embora e que realme Em 1942, sada no Me e agosto de utilizando HeS 3B (antes): 99 (depois): 1 20 kg (357 o: 1998 kg esma ocas ato propuls ca surgiram nheciment estes estud ente os pri , o Dr. Fra esserschm e 1939 Hei o gás com F 2 lb. (450 102 lb. (50 72 lb.) g (4405 lb.) Figura ião os estu são, os av m forçando tos de aero dos tenham meiros avi nz Anslem mtt ME262 nkel (Alem mo reator o Figura 1.10 Dim En kg) Áre 00 kg) Co La De Ve ) a 1.11 – Es udos de ae viões ating o a procura odinâmica m sido inte iões com p m desenvol (Figura 1.1 Curso d manha), fez ou seja usa 0 – O HE1 mensões: nvergadura ea de Supe omprimento rgura: 2,10 esempenh elocidade M (700 k squema da erodinâmic giam maio a de novas . ensificados propulsão c lveu uma t 12). de Complem z voar o se ando jato p 78 de Hein a da Asa: 7 erfície da A o: 7,48m (2 0m (6 ft. 10 o: Máxima (ao kph) a Turbina d ca tiveram or velocida s soluções s, somente conseguira turbina de mentação de eu primeiro propulsão. nkel 7,20m (23 f Asa: N/A 24 ft. 6½ in 0½ in.) o nível do m de Whittle um grand ade. Probl o que con e no final d am voar ef fluxo axia e Equipame o avião (o H ft. 3½ in.) n.) mar): 435 de progres lemas de nseqüentem a guerra ( ficientemen l, a Junker ntos Rotativ HE178 - mph so pois, co instabilida mente trou 1944 - 194 nte. rs Jumo 00 vos 8 om ade uxe 45) 04,
  9. 9. ME Se em uti av ao gá po an pre co po O Heinke E262 (Figu egunda Gu O uso da mprego da ilizada ape viação com os novos c ás tivesse ossibilitaram O sucess nos 70 cerc Com a me essão con onstrução e ossível dev l HeS-3b d ura 1.13), uerra Mund a turbina própria tu enas para mercial pas conhecime um tremen m a constr o foi tanto ca de 100% elhoria no nstante p e quando vido a dois Figu desenvolvi que lutava dial. F a gás co rbina a gá vencer a sou a utiliz ntos de ae ndo avanç rução de tu o que a par % dos aviõ projeto, m assou a comparad s fatores: o ura 1.12 – A a 1100lbs a a 500mp Figura 1.13 mo agente s pois, nes s perdas zar a propu erodinâmic ço, uma ve urbomáqui rtir dos an ões de gran esmo na a predomina da a turbin o desenvol Curso d A turbina J de empux ph, mais de 3 – ME262 e propulso sta aplicaç e acionar ulsão a jato ca fizeram ez que nov nas com a os 60 o us nde porte j aplicação i ar, devido na com co vimento do de Complem Junkers Ju xo e voou e 1600 des 2 Caça alem or (jato ou ção, a potê o compre o intensiva com que vas concep alto rendim so de turbi á eram im ndustrial, a o principa ombustão o compres mentação de umo 004 acima de ste foram mão u reator) ência, dese essor. Log amente. Es o desenv pções e m ento. inas a gás pulsionado a turbina a lmente a a volume ssor para a e Equipame 400mph, d construído simplificou envolvida p o após a ste uso inte volvimento metodologia s foi aumen os por turb a gás com sua sim constante alta relação ntos Rotativ depois veio os no final u bastante pela turbina 2º guerra ensivo alia da turbina as de cálcu ntando e n binas. combustão plicidade e. Isto só o de press vos 9 o o de e o a é , a ado a a ulo nos o a de foi são
  10. 10. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 10 e com alto rendimento; e, também, o desenvolvimento de novos materiais resistentes a alta temperatura. Em 1943 a Escher Wyss constrói uma TG de 2000kW. Em 1949 têm-se a primeira instalação industrial 12,5MW em St. Denis, França, funcionando com um sistema com queima de óleo. Em 1956 a Escher Wyss constróis uma TG de 2,3MW com Carvão pulverizado (Figura 1.60) para a geração de eletricidade e aquecimento, com p = 4 e tmax = 660ºC Na década de 70 foi intensificado o uso de Turbinas. Foram construídas instalações até 50MW (1974 em Oberhausen). Componentes Principais As turbinas a gás são constituídas de quatro partes principais (Figura 1.14), a saber: - Compressor - Figura 1.15; - Câmara de Combustão - Figura 1.16 a Figura 1.18; - Turbina - Figura 1.19 - Eixo. Possuem ainda um Bocal de Admissão (Inlet) - Figura 1.21 e um Bocal de Escape (Nozzle) – Figura 1.21 e Figura 1.22). Nas turbinas de uso aeronáutico, para um incremento no empuxo das mesmas, instala-se após a turbina um Pós-Queimador (Afterburner) que, ao ser utilizado gera um jato de fogo pelo bocal de escape - Figura 1.23. O mesmo é muito utilizado em turbinas aeronáuticas militares. Figura 1.14 – Partes de uma Turbina a Gás
  11. 11. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 11 Figura 1.15 – Compressor de Alta Pressão Figura 1.16 – Tipos de Queimadores (Burners)
  12. 12. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 12 Figura 1.17 – A Câmara de Combustão Figura 1.18 – Anel de Combustores (Cannular)
  13. 13. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 13 Figura 1.19 – Turbina Axial Figura 1.20 – Tipos de Bocais de Admissão
  14. 14. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 14 Figura 1.21 – Bocal de Exaustão de Gases Figura 1.22 – Tipos de Bocais de Exaustão
  15. 15. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 15 Figura 1.23 – O efeito do Afterburner Classificação da Turbinas a Gás Apesar das muitas aplicações e dos diversos tipos de turbinas a gás, há entre elas uma série de aspectos que possibilitam uma classificação. Entre várias classificações, pode-se citar: Quanto ao Ciclo: - Aberto e - Fechado Quanto à Construção: - Leves (Jet-derived GT - derivadas de turbinas aeronáuticas - Figura 1.25) - Pesadas (Heavy-Duty GT -) Quanto ao Método de Transmissão de Força: - Livres; - Transmissão Direta; - Transmissão por Engrenagens (Caixa de Redução ou Ampliação da Rotação) Quanto à Rotação: - Operação em Velocidade Constante (turbo - alternadores) - Operação em Velocidade Variável (turbo-bombas e turbo-compressores) Quanto ao Número de Eixos: - De um eixo - De vários eixos Quanto à Localização: - Onshore (Interna) – Figura 1.27; - Offshore (Externa); - Móvel (on-board) – especialmente aplicações marítimas
  16. 16. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 16 Quanto à Aplicação - Industrial - Figura 1.27; - Marítima - Figura 1.29; - Aeronáutica QUANTO AO CICLO As turbinas podem operar em um Ciclo Aberto ou Ciclo Fechado. Por Ciclo Aberto entende-se que o fluido de trabalho não retorna ao início do ciclo - Figura 1.24a. O ar, retirado da atmosfera, é comprimido, levado à câmara de combustão onde, juntamente com o combustível, recebe uma faísca, provocando a combustão da mistura. Os gases desta combustão então se expandem na turbina, fornecendo potência à mesma e ao compressor, e, finalmente, saem pelo bocal de exaustão. Ao contrário do ciclo aberto, no Ciclo Fechado, o fluido de trabalho permanece no sistema. Para isso, o combustível é queimado fora do sistema, utilizando-se um trocador de calor para fornecer a energia da combustão ao fluido de trabalho - Figura 1.24b. O ciclo fechado possui algumas vantagens sobre o ciclo aberto, dentre elas: - a possibilidade de se utilizar combustíveis sólidos; - a possibilidade de altas pressões em todo o ciclo, reduzindo o tamanho da turbomáquina em relação a uma potência útil requerida; - evita-se a erosão das palhetas da turbina; - elimina-se o uso de filtros; - aumento da transferência de calor devido à alta densidade do fluido de trabalho (alta pressão); - uso de gases com propriedades térmicas desejáveis. Mas este ciclo tem como desvantagem a necessidade de investimento em um sistema externo de aquecimento do fluido de trabalho, envolvendo um ciclo auxiliar com uma diferença de temperatura entre os gases. (a) (b) Figura 1.24 – Os ciclos Aberto (a) e Fechado (b)
  17. 17. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 17 QUANTO À CONSTRUÇÃO As Turbinas Leves (Figura 1.25) têm como principais características: - De construção leve; - Alta velocidade e, geralmente, - Mancais de rolamentos, que normalmente não são facilmente acessíveis. Dependendo do tipo, elas podem ter vários eixos girando em diferentes velocidades (um eixo para o compressor de baixa pressão, um para o compressor de alta pressão e um outro eixo para a turbina de força. A turbina de força pode ser uma do tipo pesado, que recebe gases quentes de uma outra, ou outras, turbinas derivadas de turbinas - “jet-derived”. As duas principais aplicações de turbinas a gás leves são a produção de energia mecânica e como principal motor para máquinas como bombas e compressores. Figura 1.25 – Turbina Leve, estação de bombeamento da Avon As Turbinas para Serviços Pesados (Heavy Duty Gas Turbine - Figura 1.26) são construídas para aplicações estacionárias. Compreendem em uma vasta e diversa gama de máquinas, indicadas para geração de energia (de 10MW a acima de 100MW). Enquanto máquinas de menor potência são similares as “jetderived”, as turbinas de média e alta potência possuem estruturas muito pesadas, volumosas. As câmaras de combustão não são necessariamente circulares, dispostas entorno do cilindro da turbina. Ao contrário, estas máquinas podem ter uma ou duas câmaras de combustão dispostas separadamente. Produzem energia mecânica principalmente para turbo alternadores, grandes turbo- compressores ou turbo-bombas. Conseqüentemente é necessário incluir estes equipamentos nos estudos sobre vibrações nas turbinas, dificultando o equilíbrio nos cálculos.
  18. 18. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 18 Figura 1.26 – Turbina para Serviços Pesados (Heavy-Duty GT – Siemens KWU) QUANTO AO NÚMERO DE EIXOS Um ciclo com um eixo apenas, parte da potência produzida pela Turbina é fornecida ao Compressor. Apenas o restante da potência se destina a potência útil de eixo. No caso de turbinas aeronáuticas, toda a potência gerada será utilizada internamente. Um ciclo com dois eixos é formado de um gerador de gás, que está ligado ao primeiro eixo, e uma turbina livre, que está ligada ao segundo eixo. No caso de turbinas aeronáuticas, a turbina livre é substituída por um bocal. A diferença entre os dois ciclos está na operação. Um ciclo com vários eixos tem aplicação na aeronáutica. Neste caso, o conjunto pode ter um, dois ou três eixos concêntricos com a finalidade de aumentar a razão de pressão do ciclo e conseqüentemente sua eficiência térmica. A divisão em vários eixos do gerador de gás tem objetivo de aumentar a eficiência aerodinâmica da compressão pois, a compressão em um único estágio diminuiria a operação da turbina e a eficiência térmica. QUANTO À APLICAÇÃO As Turbinas Industriais são essencialmente fixas, Figura 1.28. São utilizadas para geração de energia mecânica, com rotação constante ou variável. As Turbinas Marítimas são utilizadas na geração de energia mecânica e elétrica em navios. São do tipo “on board”. Sem dúvida o maior desenvolvimento tecnológico e científico da turbina a gás está no campo aeronáutico. Por razões de segurança, estratégia, as grandes potências mundiais investem grandes somas em dinheiro para a pesquisa e desenvolvimento de equipamentos que possam ter grandes eficiências térmicas, grande potência (empuxo) e que possibilitem altas velocidades (supersônicas). Possui eficiências térmicas altas, chegando a 41% e altas temperaturas de combustão (1800K).
  19. 19. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 19 Figura 1.27 – Turbina Industrial: [1] Admissão, [2] Compressor Axial, [3] Sistema de Combustão, [4] Turbina, [5] Cilindro de Exaustão e [6] Difusor de Exaustão. Figura 1.28 – Esquema de uma Usina de Energia Elétrica com Turbina a Gás.
  20. 20. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 20 Figura 1.29 – Turbina Marítima WR 21 ICR da Northrop Corporation As Turbinas Aeronáuticas podem ser classificadas ainda pela sua Aplicação: - Turbohélice - Figura 1.30 e Figura 1.31; - Turbofan - Figura 1.32, Figura 1.33 e Figura 1.41; - Turbojato - Figura 1.36; - Ramjet - Figura 1.38 e Figura 1.39; As Turbohélice são turbinas a gás que convertem a energia do gás em potência de eixo. Esse, está acoplado a uma caixa de engrenagem que reduz a rotação para um eixo que tem uma hélice. O compressor deste tipo de motor pode ser centrífugo ou axial, com um ou dois eixos. Os gases de escape não possuem efeito propulsivo, o que dá propulsão à aeronave é a hélice acoplada ao eixo redutor de velocidade. São construídas para vôos subsônicos. Figura 1.30 – Turbina Aeronáutica Turbohélice
  21. 21. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 21 Figura 1.31 – Turbohélice em corte As Turbinas Turbofan possuem um grande conjunto frontal de pás que succionam o ar para dentro da turbina. A maior parte do ar succionado passa por fora do motor, i.e., ele não é comprimido ou sofre uma baixa compressão. Esse fluxo de ar é chamado de By-pass. Esse ar faz a turbina mais silenciosa (ou menos barulhenta!) e fornece um maior empuxo à aeronave em baixas velocidades sem aumentar o consumo de combustível - Figura 1.33. A maioria das aeronaves, principalmente civis, são movidas por turbinas com turbofan, onde 85% do empuxo tem origem no ar de by-pass. Existem vários tipos de turbinas, com Razões de By-pass grandes ou pequenas, dependendo de sua aplicação (vôos subsônicos ou supersônicos, respectivamente - Figura 1.34). Figura 1.32 – Turbina Aeronáutica Turbofan
  22. 22. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 22 Figura 1.33 – Fluxo em uma Turbina Turbofan (a) (b) Figura 1.34 – Turbinas Turbofan (a) Civil e (b) Militar O Ar de By-pass pode ser ainda utilizado como um sistema de freio nas aterrissagens, utilizando-se de um sistema de reversão do fluxo de ar - Figura 1.35. As Turbinas Turbojato (turbojet) são utilizadas para vôo supersônico. O ar admitido é comprimido de 3 a 12 vezes por um compressor centrífugo ou axial. Depois de misturado ao combustível e queimado, expande-se em altas velocidades passando pela turbina, que transforma a energia cinética desses em trabalho mecânico. Para aumentar o empuxo desta turbina utiliza-se o “afterburner” ou pós queimadores. O afterburner tem como função aumentar a temperatura do ar de exaustão através de uma segunda combustão, i.e., injeta se combustível nos gases exaustos provocando, através de uma faísca, uma nova combustão. A energia liberada pela combustão aumentará a temperatura dos gases e, conseqüentemente, o volume dos mesmos.
  23. 23. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 23 Como a o bocal de saída (nozzle) tem área conhecida e constante (variável nas militares), os gases sairão com uma velocidade muito maior, aumentando o empuxo final - Figura 2.23 e Figura 1.37 Figura 1.35 – Sistema de Reversão do Ar de By-pass Figura 1.36 – Turbina Aeronáutica Turbojet Figura 1.37 – Turbina Aeronáutica Turbojet com o afterburner (F100-220)
  24. 24. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 24 As Ramjet (Figura 1.38) são motores de reação a ar forçado para vôos supersônicos, não possui partes móveis. O ar é forçado para a câmara de combustão pelo movimento para frente do avião, sem compressor, implicando na necessidade de uma alta velocidade do avião para o seu funcionamento. Em conseqüência, uma aeronave utilizando a ramjet, necessita de alguma forma outra força de empuxo que a leve até a velocidade mínima de funcionamento, como por exemplo, outro avião. A NASA, órgão de pesquisa Norte Americano, está desenvolvendo aeronaves de teste, como o X-15 (Figura 1.39). Figura 1.38 – Princípio de Funcionamento da Turbina Ramjet Figura 1.39 – O X-15 (NASA), com Turbina Ramjet COMPONENTES PRINCIPAIS Comenta-se a seguir sobre os dois principais componentes: compressores e turbinas. Compressores Os compressores (turbo compressores) são apresentados em dois tipos: o radial ou centrífugo (Figura 1.40) e o axial (Figura 1.41) conforme a direção com relação ao eixo de rotação, do escoamento na saída do rotor.
  25. 25. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 25 Figura 1.40 – Turbina LTS 101, com Compressor Radial ou Centrífugo Figura 1.41 – Turbina CF6N com Compressor Axial Seus componentes básicos são um ROTOR, contendo pás, que, no seu movimento de rotação, transferem a energia (potência) mecânica, recebida no eixo, para o ar (fluido de trabalho) em forma de potência hidráulica (Ph = Dp.v); e, um sistema de aletas (pás fixas) que formam o DIFUSOR (consta basicamente de passagens divergentes que desaceleram o ar aumentando sua pressão). Existe ainda a CARCAÇA onde é montado o conjunto. De um modo geral podemos dizer que, para uma mesma potência, o tipo radial fornece uma pressão maior com uma vazão correspondente menor quando comparado com o tipo axial. Normalmente, no uso em turbina a gás, os do tipo radial são mais adequados para sistemas de pouca potência enquanto que o axial se ajusta melhor para potências maiores. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO E TEORIA BÁSICA DOS COMPRESSORES Considera-se a Figura 1.42 e a Figura 1.43, onde estão representados os cortes longitudinais e transversais através do rotor, bem como seus triângulos de velocidade.
  26. 26. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 26 Figura 1.42 – Compressores radial e axial, esquema e corte Figura 1.43 – Compressores radial e axial, triângulos de velocidade No compressor RADIAL, o ar entra na direção axial do rotor, recebendo energia. É, então, desviado para a direção radial saindo do mesmo e entrando em um sistema de passagem divergente (difusores ou aletas fixas) que desaceleram o ar aumentando, conseqüentemente, sua pressão estática. O ar é succionado na entrada do rotor (impeller eye) e então gira a alta rotação, pelas pás do motor. Nesta situação o ar em escoamento, no rotor estará sujeito à ação de uma força centrífuga, que será tanto maior quanto maior for a relação diâmetro do rotor (D2/D1). Este processo já resultará um aumento de pressão estática ao longo do rotor. O restante da pressão estática do compressor é obtido no difusor, onde a alta velocidade do ar saindo do rotor é reduzida a um valor próximo daquele ocorrendo na entrada no rotor. É usual projetar o compressor de forma que cerca da metade do aumento da pressão ocorra no rotor e a outra metade no difusor. Na Figura 1.44, pode-se observar os tipos de rotores e algumas peculiaridades desta máquina. No compressor AXIAL, o ar entra na direção axial do rotor, recebendo energia das pás, e prosseguindo, na mesma direção, para entrar no sistema difusor constituído por aletas (pás fixas) fixadas na carcaça. Neste tipo de máquina, não há o efeito da força centrífuga má compressão, resultando num menor aumento da pressão, por estágio. Por isso, este tipo de compressor sempre usa diversos estágios em séries. Figura 1.45. Tanto as pás (rotor) como as
  27. 27. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 27 aletas (difusor) possuem perfis aerodinâmicos (semelhantes aos de sustentação), Figura 1.43. Neste tipo de máquina, a variação de velocidade através das pás e aletas não é grande o que permite trabalhar com velocidades mais altas (no momento já existem em uso compressores trans-sônicos). Figura 1.44 – Compressor Radial, Tipos de Rotor Um projeto cuidadoso das pás baseado em teoria aerodinâmica e experimentos, é necessário não somente para prevenir perdas como também para assegurar que não haja os problemas de “stall” que freqüentemente ocorrem nos compressores axiais, principalmente naqueles de muitos estágios, Figura1.46.
  28. 28. mo pre fun ma ac re co ex A teoria ovimento e Estes cálc essão e, ncionamen O volume ais interes cima são a Neste ca presentativ Neste cas onforme mo Esta é a xistem. Há básica é e energia a culos obje naturalme nto. e de contro ses são aq plicadas. aso consid va (linha d so o movim ostra a Fig maneira ainda outr Figura1. fundamen aplicadas n tivam dese ente, dese ole que de queles cor dera-se o e corrente mento da gura 1.43. mais sim ros em des 45 – Cons Figura tada no u no volume envolver u eja-se sab eve ser an rresponden o fluxo se ). partícula p plificada p senvolvime Curso d strução de a 1.46 – Efe uso das e de control uma máqui er também alisado é ntes às seç endo repr pode ser r para análi ento como, de Complem um Compr feito “stall” equações d e a ser an ina que fo m qual a aquele en ções de en esentado representa se; porém , por exem mentação de ressor Axia da continu alisado. rneça uma potência volvendo ntrada e sa por aque ado pelo tr m outros m mplo, algun e Equipame al uidade, qu a determin utilizada, o rotor e o aída onde ele de um riângulo de métodos d s métodos ntos Rotativ uantidade nada vazão para o s os pontos as equaçõ ma partícu e velocidad de cálculo s numérico vos 28 de o e seu de ões ula de, já os.
  29. 29. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 29 ALGUMAS CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE COMPRESSORES COMPRESSORES RADIAIS São usados somente para turbinas a gás de pequeno porte até 500 kW (1500 kW em casos excepcionais como, por exemplo, em sistemas de segurança “stand-by”, turbo alimentadores e turbinas de propulsão de helicópteros, etc.) Vantagens: - compactas (compressão em um só estágio) - mais resistentes - mais fácil construção Desvantagens - rendimento mais baixo - alta relação de diâmetro D2/D1 (dificulta uso aeronáutico) Rotor - semi-aberto (ligas de metal leve) - duplos - Normalmente um ou dois estágios Grandezas características (usuais) - velocidade periférica - máxima velocidade do ar na entrada - máxima velocidade do ar na entrada - Ângulo de saída da pá - Relação de pressão-estágio – um estágio – dois estágios - Vazão – um estágio – dois estágios
  30. 30. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 30 COMPRESSORES AXIAIS São usadas para sistemas de turbinas a gás de grande e médio porte, tais como em centrais termoelétricas, aviões, estações “booster”, etc.. . Compressores axiais têm diâmetros e escoamento sem muito desvio (não há mudança de direção), o que permite atingir um melhor rendimento que o tipo radial, porém necessita um número maior de estágios para a mesma relação de pressão. A fixação das pás no cubo pode ser realizada de diversas formas como indicado na Figura 1.47. Figura 1.47 – Tipos de Fixação de Pás Figura 1.48 – A fixação das Pás
  31. 31. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 31 Grandezas características Vazão
  32. 32. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 32 Temperatura na compressão As características de funcionamento destes dois tipos de compressores são mostradas na Figura 1.49. a) Rotação b) Temperatura Figura 1.49 – Características típicas de compressores Turbinas As turbinas também podem ser radiais ou axiais. TURBINAS RADIAIS Apresenta somente um estágio com rotor semi-aberto, muito semelhante a do compressor radial. O escoamento, agora, segue contra o efeito da força centrífuga no sentido radial de fora para dentro. Desta forma é muito comum a denominação turbina centrípeta. São turbinas compostas normalmente utilizadas para pequena potência como, por exemplo, nas turbo alimentadores ou turbinas automáticas. Podem atingir até 4500 kW em instalação com potência efetiva de 1500 kW (lembrar que o compressor consome cerca de 2/3 da potência da turbina).
  33. 33. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 33 O seu rendimento é relativamente pequeno devido à folga do rotor, pequenas dimensões, alta diferença de temperatura e oposição da força centrífuga por ocasião da expansão. Os valores comuns de rendimento são da ordem de = 0,6... 0,75 dependendo das dimensões. Figura 1.50 – Turbina centrípeta (radial) TURBINAS AXIAIS As turbinas axiais são bastante semelhantes às turbinas a vapor de reação (normalmente 0,5 para o grau de reação). Devido à relativamente queda da entalpia nas turbinas a gás, dificilmente são utilizados mais de cinco estágios. Na maioria de 2 a 4 estágios sendo que, para pequena potência basta 1 estágio. A baixa pressão e alta temperatura da turbina a gás possibilitam construção leve. Materiais resistentes à temperatura são necessários, principalmente tendo em vista a pequena espessura das paredes. Como já mencionado, devido à alta temperatura dos gases e alta rotação, a turbina fica sobrecarregada. Por tanto, materiais resistentes a alta temperaturas são usados o que permite uma temperatura de trabalho de até 600ºC para turbinas a gás estacionárias e para as usadas na aeronáutica até 9000C. Valores de temperaturas de trabalho maior requerem resfriamento, neste caso possibilitando temperatura de: - Turbinas a gás estacionárias até 950ºC - Turbinas a gás móveis até 1300ºC Devido a isso, diversos métodos foram propostos para resfriamento de pás como mostra a Figura 1.51.
  34. 34. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 34 Figura 1.51 – Métodos para resfriamento de pás. Em uso corrente é preferido o resfriamento a ar e neste caso, têm-se os seguintes métodos de resfriamento: CONVENÇÃO FORÇADA, FILME e TRANSPIRAÇÃO, que apresentam entre si vantagens e desvantagens. O ar de resfriamento provém do próprio compressor e a quantidade requerida é para turbina de grande potência (20 MW) entre 7% a 13% da vazão total, dependendo da temperatura dos gases (800ºC a 1300ºC). Para instalações menores este valor situa-se entre (4 e 10%). No tipo mais usado, convecção forçada, a quantidade de ar necessária ao resfriamento fica entre 1,5 e 2% da vazão (m) por fileira de pás. A Figura 1.52 apresenta uma pá resfriada por ar e a Figura 1.53 mostra o modo pelo qual o ar de resfriamento é introduzido. Figura 1.52 – Pá resfriada a ar
  35. 35. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 35 Figura 1.53 – Introdução de ar de resfriamento Quanto ao método de dimensionamento de turbinas têm-se algo semelhante ao projeto de compressores, isto é, os fundamentos básicos de cálculo são os mesmos. Alguns valores característicos para turbinas axiais: Comprimento da pá: no mínimo b = 30 mm Relação de comprimento: b/D ((0,03). . . 0,05. . . 0. 15) Velocidade de periférica: u = 200. . . 350. . . 400 m/s Folgas: (2. . . 4) 10 D Perda por fuga: 3. . . 5% Temperatura dos gases na saída: 400. . . 500 C (S. T) FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS TÉRMICAS As Turbinas a Gás funcionam segundo o 2° princípio da termodinâmica , de forma cíclica que é geralmente representada como segue:
  36. 36. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 36 Figura 1.54 – Esquema de funcionamento de máquinas térmicas Como veremos posteriormente, para o caso de turbinas a gás, o funcionamento destas máquinas pode ser representado por ciclos termodinâmicos, compostos por uma série de transformações “processos” teoricamente reversíveis e praticamente irreversíveis. Mas de um modo geral temos: Figura 1.55 – Diagramas de processos cíclicos Observar que, sendo o processo cíclico, o fluído de trabalho sai da condição “0” sofre as diversas transformações e retorna ao mesmo ponto “0”. DQ = dW + dU => dQ = dW Eq. 37 É interessante ainda, observar que para as máquinas térmicas sempre é necessário uma fonte quente (introdução de calor) e uma fonte fria (rejeição de calor) bem como uma região do sistema com alta pressão e outra de baixa pressão, pois a transformação em que o trabalho é produzido é sempre uma expansão.
  37. 37. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 37 Construção e Princípio de Operação Considere-se então, para descrição da operação de turbinas a gás com finalidade do acionamento (energia mecânica) a Figura 1.56 que representa um dos tipos comuns de instalação para geração de energia elétrica e de turbinas a gás para aeronáutica a Figura 2.14. Figura 1.56 - Esquema típico de uma Turbina Gás Industrial Aqui por meio de um compressor, o ar (comburente) é comprimido (elevado a pressão) e conduzido a uma câmara de combustão onde é introduzido o combustível que pode ser gasoso, líquido ou mesmo sólido, e que será queimado sob uma condição de pressão constante, num processo de queima em regime contínuo, aumentando a temperatura dos gases e introduzindo, desta forma, a energia primária no sistema. Os gases de combustão expandem-se na turbina que, por sua vez, transforma esta energia dos gases em energia mecânica a qual deverá ser maior do que a energia necessária para acionamento do compressor. Esta diferença de energia é a energia mecânica efetiva disponível. Numa primeira aproximação pode-se considerar como valor padrão atuais para funcionamento no ponto de projeto a distribuição de potência (energia) entre os diversos componentes da instalação como Pt : Pc:Pef = 3:2:1. Isto significa que a potência necessária à compressão (Pc) consome cerca de 2/3 de potência liberada pela turbina (Pt). Desta forma a disponibilidade de potência efetiva (Pef) é somente 1/3 da potência da turbina (Pt). Evidente que estes valores são apenas uma indicação uma vez que perdas ocorrem tanto no compressor como na turbina e isso concorre para o aumento da potência absorvida (perdida) pelo próprio sistema decrescendo, desta forma, a potência efetiva disponível. A maior ou menor introdução de calor produz respectivamente uma maior ou menor potência efetiva. Assim, um aumento muito grande de calor (combustível) resultará num aumento da potência sendo, evidente que, para uma determinada vazão de ar, existe um limite para a proporção de introdução de combustível. A máxima relação combustível/ar que pode ser usada é determinada pela temperatura de trabalho das pás da turbina que operam em condições de alto tensionamento (altos esforços aerodinâmicos e mecânicos; alta rotação; e, temperatura constante). Esta temperatura não poderá ultrapassar determinado valor crítico (1300ºC). Este
  38. 38. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 38 valor, por sua vez, depende da tensão de “creep” (fluência) do material usado na construção da turbina, bem como de sua vida útil desejada. Como se pode ver existem dois fatores que afetam o desempenho da turbina a gás: rendimento dos componentes e temperatura de trabalho da turbina. Quanto mais alto forem, melhor será o desempenho da instalação. De fato estes fatores foram os que mais concorreram para os fracassos de um grande número de tentativas feitas nos primórdios do desenvolvimento das turbinas a gás. Naquela época, e devido a esses fatores, a maioria das turbinas a gás conseguia apenas, na melhor das hipóteses, manter o seu funcionamento. Isto significa que, funcionava sem produzir nenhuma ou quase nenhuma potência efetiva. Nesta ocasião o rendimento do compressor não era mais que 60% e a máxima temperatura admissível era na ordem de 470. O rendimento total da turbina a gás depende também da relação de pressão do compressor ou da instalação. A dificuldade de se obter alta relação de pressão com um rendimento adequado do compressor só foi sanada quando novos conhecimentos de aerodinâmica puderam ser aplicados neste problema. O desenvolvimento da turbina a gás ocorreu lado a lado com o desenvolvimento dos conhecimentos de aerodinâmica e, também da metalúrgica. O resultado disso é que, no momento, é possível encontrar motores avançados usando relação de pressão até 30:1; rendimento de componentes de 85 a 95%; e, temperatura permissível na entrada da turbina até 1300 ºC (casos extremos com o uso de cerâmica até 1500ºC - Figura 1.57). Figura 1.57 – Escala de Temperatura em um Reator No início do desenvolvimento da turbina a gás, dois possíveis sistemas de combustão foram propostos: um, a pressão constante e, o outro, a volume constante. Teoricamente, o rendimento térmico do ciclo a volume constante é maior de que o do ciclo a pressão constante, mas as dificuldades mecânicas são muito maiores. Com adição de calor a volume constante, válvulas são necessárias para isolar a câmara de combustão do compressor e da turbina. A combustão é desta forma, intermitente, o que não permite o funcionamento suave da máquina. Apesar do grande esforço, principalmente por parte dos Alemães e Suíços, para desenvolver a turbina funcionando com este princípio pouco sucesso foi atingido. Desta forma este princípio foi abandonado.
  39. 39. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 39 No ciclo com introdução de calor a pressão constante, a combustão ocorre em um processo contínuo, não necessitando de válvulas o que simplifica muito sua construção e funcionamento. Este tem sido então aceito como o tipo de ciclo que maiores possibilidades oferecem para futuro desenvolvimento (Figura 1.58). Figura 1.58 – Reator com pressão constante na Câmara de Combustão É importante observar que na turbina a gás os processos de compressão, combustão e expansão não ocorrem em um único componente como no caso dos motores alternativos a pistão. Eles ocorrem em componentes separados de forma que podem ser projetados, desenvolvidos e testados individualmente. Além disso, estes componentes podem ser interligados de diversas maneiras de modo a compor a unidade turbina a gás. O número possível de componentes não é limitado aos três já mencionados. Outros compressores e turbinas podem ser adicionados, com inter-resfriamento entre os compressores e câmaras de combustão de reaquecimento entre as turbinas. Pode, também, ser usado um trocador de calor que usa parte da energia dos gases de escape da turbina para pré aquecer o ar, entretanto na câmara de combustão. Estes refinamentos podem ser usados para aumentar a potência efetiva e o rendimento da instalação à custa de um aumento na complexidade, peso (volume) e principalmente custo. É importante mencionar que a maneira em que os componentes são interconectados não afeta somente o rendimento total, mas também a variação do rendimento com a potência efetiva e torque de saída com a variação de rotação. Desta forma, dependendo do tipo de aplicação da turbina a gás, haverá um arranjo adequado dos componentes, pois um determinado arranjo poderá ser conveniente para o acionamento de um gerador sob carga variável a uma rotação constante e outro poderá ser adequado para o acionamento de compressor ou bomba de estação “booster” de um gasoduto ou oleoduto cuja potência varia com o cubo da rotação.
  40. 40. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 40 ANÁLISE DO CICLO A turbina a gás de ciclo fechado, como o próprio nome indica, é assim denominada em virtude do tipo de circulação de seu fluido de trabalho. Assim sendo o processo de combustão tem que ser obrigatoriamente externo. Sua diferença com relação à TG ciclo aberto está no processo de introdução e rejeição de calor. A Figura 1.59 mostra o esquema de uma instalação de turbina a gás de circuito fechado, onde o fluido de trabalho a ar e o combustível é carvão pulverizado. Figura 1.59 – Esquema de turbina a gás ciclo fechado (Eletricidade e aquecimento 2,3 MW) Outro exemplo é o de uma instalação nuclear, conforme mostra a Figura 1.60.
  41. 41. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 41 Figura 1.60 – Esquema de turbina a gás nuclear (ABB). Análise Comparativa do Ciclo Vantagens: a) Uso de alta pressão no ciclo (maior densidade) - dimensões menores das turbomáquinas - regulagem em larga faixa de operação sem alteração da temperatura –(pouca variação do rendimento) regulagem pela pressão. - melhoria da troca de calor b) Uso múltiplo de combustível, inclusive outras fontes de calor (solar, nuclear) c) Fluido de trabalho não contaminado - não há corrosão e desgaste (turbomáquinas) - não há necessidade de filtros d) Uso de outros fluidos de trabalho - melhores propriedades termodinâmicas - gás neutro Desvantagens: a) Combustão externa - uso de sistemas auxiliares - diferença de temperatura (gases x fluido de trabalho) - limite máximo de temperatura _ 770ºC (trocadores) b) Uso de trocador de calor _ resfriamento (água) c) Custo, volume e peso maiores d) Problemas de vedação - carcaça mais reforçada
  42. 42. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 42 Fluido de Trabalho Em geral é usado ar, CO2 e principalmente Hélio devido à suas excelentes propriedades termodinâmicas. Apesar de o Hélio ser mais caro, tem as seguintes vantagens: - Não há corrosão – materiais comuns - Turbomáquinas com menores dimensões, devido ao valor maior de a (velocidade do som) - Menor superfície de troca de calor (l maior) - Para mesma temperatura _ DT menor (K maior) - Materiais mais leves (menos resistentes) - Alto rendimento, apesar de pressão baixa Em geral – TG Hélio são menores e mais econômicas, porém mais caras. Características de Torque No caso de turbinas a gás industriais (Pef) é importante observar a dependência do torque com a rotação para uma determinada potência uma vez que é isto que determina a sua adequação em uma aplicação ou outra. Exemplificando: nas aplicações com propósito de tração um alto torque de partida é particularmente importante. Assim, um circuito pode ser adequado para geração de energia elétrica (rotação constante) e inadequado para estação de bombeamento ou propulsão naval ( n = ). Materiais, Combustíveis e Combustão Estes são os itens de grande importância no aprimoramento das turbinas a gás tanto no aspecto de aumento de sua potência como no da melhoria de seu rendimento. Dado a sua importância os pesquisadores tem concentrado esforços no seu desenvolvimento e aprimoramento tendo em vista atender exigências ecológicas.
  43. 43. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 43 MATERIAIS Com respeito aos materiais é interessante ter em mente, na sua escolha, os aspectos – segurança, confiabilidade, vida útil e economia. Devido à ocorrência de uma combustão contínua em turbinas a gás aparecerá um sobrecarregamento térmico principalmente na câmara de combustão e nas pás do primeiro estágio da turbina. Acrescido a isto existe ainda a corrosão devido à agressividade e a existência de oxigênio nos gases de escape ainda quentes. No caso particular da pá da turbina existe a ação da força centrífuga que é muito grande uma vez que ela é função do quadrado da rotação e a rotação das turbinas é alta, principalmente naquelas de uso aeronáutico. Como se vê as turbinas a gás são um caso típico para uso de materiais resistentes a alta temperatura. Esta alta temperatura são as causas de aparecimento de tensões, devido principalmente aos seguintes fenômenos: - FLUÊNCIA e FADIGA – as quais devido a sua importância serão examinadas em detalhes mais adiante. - MICROTRINCAS – que ocorrem devido à rápida mudança de temperatura do gás e conseqüentemente do material pela mudança rápida do regime de funcionamento. Sua origem é devido às altas tensões térmicas localizadas. Ainda sob o aparecimento de tensões térmicas, temos: - DILATAÇÃO TÉRMICA – decorrente das diferenças de dilatação entre aos diversos materiais, por exemplo, aços austeníticos e martensíticos. - ELASTICIDADE – com o aumento de temperatura diminui o módulo de elasticidade dos sólidos (materiais) que conduz à mudança da freqüência do natural do rotor e das pás. Sob o espaço ECONOMIA, naturalmente que os materiais mais caros que são os resistentes. À altas temperaturas, então seu uso fica somente para a câmara de combustão e partes da turbina. Para o compressor é usado aços normais ou ligas metálicas leves (principalmente para aviação). Comportamento dos Materiais Como sabemos quando um material é submetido a um esforço ele se deforma. A lei de Hook mostra que existe uma relação proporcional entre a tensão e a deformação (s = x .E), porém isto é válido apenas para a região elástica do material. A Figura 2.61 mostra o resultado de um teste de tensão, o qual após um carregamento (s = F x A) com 350 N/mm2 , uma deformação de 0,2% é atingida, a qual desaparece com o descarregamento. Aumentando-se o carregamento ele torna-se plástico, permanecendo portanto uma deformação residual por ocasião do descarregamento. Aumentando mais ainda o carregamento, haverá a ruptura do material.
  44. 44. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 44 Figura 1.61 – Diagrama de Tensão – Deformação É importante observar que este comportamento depende do tipo de material da temperatura e do tempo de carregamento. A Figura 1.62 mostra o comportamento de um material, submetido a diversas tensões e o seu tempo de ruptura para cada carregamento. Este tipo de informação da vida útil do equipamento, principalmente para as partes que estão sujeitas a maiores temperaturas e esforços. Figura 1.62 – Diagrama de Deformação Tempo e Tensão de Ruptura FLUÊNCIA Outra característica apresentada pelos metais é o ESCOAMENTO OU FLUÊNCIA, cujo comportamento é indicado na Fig. 1.63, onde é representado o comportamento da deformação com o tempo quando submetida a um determinado carregamento (tensão) e sob ação de temperatura. As curvas I, II, e III representam x=f (tempo) para o mesmo carregamento e diferentes temperaturas, sendo que a temperatura decresce de 1 para 3. Conclui-se que a fratura ocorre mais rapidamente com o aumento da temperatura.
  45. 45. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 45 Figura 1.63 – Curvas de fluência para metais Tomando como base a curva II, pode-se definir regiões distintas para a deformação como segue: 1-2 – assim que é aplicada a carga, ocorre à deformação elástica. 2-3 – fluência primária, primeiramente rápida a vagarosamente; nesta condição ocorre uma deformação intercristalina, interligada com um amolecimento. 3-4 – fluência com velocidade constante. 4-5 – velocidade de fluência e acelerada até que haja fratura. Obs: acima do ponto 2 tem-se deformação plástica. Conhecidas estas características do material, o projetista pode, em função das condições de trabalho, determinar a vida útil das pás. Evidente que operação da turbina em condições acima da estipulada no projeto, certamente reduzirá a sua vida útil. Ainda outro aspecto relevante deve ser considerado com relação à deformação uma vez que as tolerâncias de fabricação são apertadas e devem permanecer dentro de certos limites para garantir a integridade da máquina. FADIGA Outro aspecto importante quanto ao comportamento dos materiais é a FADIGA que é o fenômeno que ocorre com uma peça metálica que pode falhar quando submetida a tensões cíclicas ou flutuantes muito menores que as necessárias para causar fratura em uma aplicação estática de carga. . As falhas que ocorrem sob condições de carregamento dinâmico do tipo supracitado são denominados de “Falhas por Fadiga” devido ao fato de que as mesmas geralmente ocorrem após longo tempo em serviço. A fadiga tornou-se um problema cada vez
  46. 46. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 46 mais relevante à medida que a tecnologia desenvolveu equipamentos tais como turbinas, bombas, compressores, motores, etc., cujos elementos repetidos. Modernamente, cerca de 90% das falhas mecânicas registradas em serviço deve-se à fadiga do material. A falha por fadiga são particularmente insidiosas devido ao fato de que ocorrem sem nenhum aviso prévio. A fadiga sempre resulta em uma fratura frágil sem deformações apreciáveis da peça. . Em escala macroscópica, a superfície da fratura por fadiga se apresenta geralmente normal à direção das tensões principais. A falha por fadiga pode ser facilmente reconhecida pelo aspecto característico da superfície fraturada, a qual apresenta duas regiões distintas (Figura 1.64 e Figura 1.65), ou seja, uma região lisa, resultado da ação friccional da propagação das trincas de fadiga, e uma região rugosa que corresponde à área de fratura dútil Instantânea quando o material não pode suportar estaticamente as tensões aplicadas. Geralmente, o progresso da fratura de fadiga (região lisa) é indicado por uma série de anéis mais ou menos concêntricos em torno do ponto de iniciação da falha. Este ponto de iniciação da falha geralmente coincide com pontos de concentração de tensões (cantos vivos, por ex.), entalhes, inclusões, etc. Figura 1.64 – Esquema de uma fratura em eixo Figura 1.65 – Exemplo de Fratura por Fadiga em um parafuso {1}
  47. 47. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 47 Três fatores básicos são necessários para causar uma falha por fadiga: - Uma tensão máxima de grandeza suficientemente alta - Uma variação suficientemente grande da tensão aplicada (variação ou flutuação) - Um número suficientemente alto de ciclos da tensão aplicada Além destes três fatores principais, podemos adicionar uma série de outras variações tais como: concentração de tensões, estrutura metalúrgica, corrosão, temperatura, tipo de carregamento, tensões combinadas, etc., todas incluindo na ocorrência da falha por fadiga. Desde que não existe ainda uma explicação satisfatória das causas de fadiga em metais, torna-se necessário discutir todos estes fatores de um ponto de vista essencialmente empírico. A Figura 1.66 mostra os tipos gerais de ciclos de tensão flutuante que podem causar falhas por fadiga. Mostra o ciclo senoidal, o qual corresponde a uma situação ideal que pode ser reproduzida nas máquinas de Teste de Fadiga por flexão rotativa. Figura 1.66 – Ciclos que ocasionam fadiga O ciclo senoidal pode ser encontrado em alguns casos práticos de eixos operando a velocidade constante sem sobrecargas. Para este tipo de ciclo, as tensões máximas são iguais as tensões mínimas. A figura (b) mostra o “ciclo senoidal com tensão média”, no qual a tensão máxima é diferente da tensão mínima devido à existência de uma tensão estática média em torno da qual se define a variação senoidal das tensões. No caso particular da figura (b) as tensões do ciclo são sempre positivas, ou seja, são sempre de tração; poderão ocorrer ciclos deste tipo com tensões só de compressão, ou mistos de tração e compressão. A figura (c) mostra um “ciclo de tensões irregulares ou aleatórias”, o qual pode ser encontrado em elementos tais como pás situadas em locais com instabilidade aerodinâmica. A apresentação básica de dados tecnológicos de fadiga é feita através do “Diagrama s-N, “(ou curva de fadiga) o qual mostra a dependência da vida de uma amostra do material, em termos do número de ciclos até a falha por fadiga, (N), com a tensão alternativa (s) do ciclo de tensão aplicado. No diagrama deve estar especificada a tensão média do ciclo. Geralmente, o diagrama s - N é feito a partir de ciclos com tensão média nula (vide Figura 2.66-a) obtidos em máquinas de teste de fadiga por flexão rotativa. A Figura 2.67 a seguir ilustra dois diagramas s- N típicos para este tipo de teste, feitos com amostras de aço doce (AISI- 1020 normalizado) e de liga de alumínio (2024 – T3).
  48. 48. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 48 Como pode ser observado na figura, o número de ciclos que o metal pode suportar antes de falhar, aumenta com diminuição da tensão aplicada. A menos que seja especificamente indicado, N é tomado, como o número de ciclos que causa fratura completa na amostra testada. Normalmente, os testes de fadiga para baixos valores de tensão são levados a efeito até 107 ciclos para materiais ferrosos e até 5x108 ciclos para não ferrosos. Para alguns materiais de importância tecnológica, como o aço e o titânio, o diagrama s-N torna-se horizontal a partir de um certo valor de tensão. Para tensões abaixo deste valor limitante, que se denomina de “limite de fadiga” (sinf) o material poderá suportar um número infinito de ciclos sem falhar por fadiga. Muitos não ferrosos, como alumínio, magnésio, cobre e suas ligas, apresentam um diagrama s-N sempre decrescente com o aumento do número de ciclos, ou seja, não apresentam um verdadeiro limite de fadiga, pois o diagrama nunca chega a ser horizontal. Figura 1.67 – Curva de Fadiga Nestes casos o limite de fadiga é definido para 108 ciclos no diagrama s-N. CORROSÃO A corrosão pode ser considerada como o ataque gradual e contínuo de um metal por parte do meio circunvizinho que pode ser a atmosfera mais ou menos contaminada das cidades ou um meio químico, líquido ou gasoso. Como resultado de reações químicas entre os metais e elementos não-metálicos contidos nesses meios, tem-se mudança gradual num composto ou em vários compostos químicos, que são geralmente óxidos ou sais. Admite-se que a corrosão não passa de uma forma de atividade química ou, mais precisamente, eletroquímica. A velocidade do ataque e sua extensão dependem não só da natureza do meio circunvizinho, como igualmente do tipo do metal ou liga sofrendo a ação corrosiva. Quando um metal não corrói, admite-se que se produz alguma reação química entre ele e o meio que o circunda, com formação de uma camada fina, a qual adere à superfície metálica e é aí mantida por forças atômicas. Se, por qualquer motivo, essa camada protetora for destruída momentaneamente, ela será instantaneamente restabelecida e a lesão do metal é, por assim dizer, automaticamente sanada.
  49. 49. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 49 Geralmente a proteção contra a corrosão é feita criando-se sobre superfície do metal uma película protetora que separa o metal-base do meio corrosivo. Essa película protetora pode ser criada artificialmente, mediante depósito propositado de outra substância - metálica ou orgânica - sobre a superfície do metal a proteger ou, naturalmente, i.e., pela formação de um composto químico, mantido sobre a superfície metálica por forças atômicas, composto esse que resulta da reação de certos elementos de liga introduzidos no metal com o meio circunvizinho. Além do mecanismo da formação de uma película de óxido para explicar a resistência à corrosão, outros dois mecanismos têm sido propostos: - Absorção de gás oxigênio por átomos de cromo na camada superficial dos aços contendo esse elemento de liga e; - Produção de uma distribuição favorável de elétrons entre o ferro e o cromo, auxiliada pela absorção do oxigênio e prejudicada por hidrogênio. O primeiro mecanismo, formação de película de oxigênio, ainda é o mais aceito. De qualquer modo, a presença da película superficial de cromo, de espessura inferior a dois centésimos de mícron, é indispensável para conferir resistência à corrosão. A concentração de cromo nesta película é maior que a do metal e tanto a espessura da película como o seu teor em cromo aumenta à medida que se melhora o polimento superficial. Os mais importantes metais no sentido de ligar-se ao ferro em condições econômicas para formar as películas protetoras discutidas acima são, na realidade, relativamente poucos e incluem o cromo, o níquel e, em menor grau, o cobre, o silício, o molibdênio e o alumínio. O cromo é, de fato, o elemento mais importante e quando usado em elevados teores, acima de 10%, é o mais eficiente de todos, sob a maioria das condições, se bem que os aços ao cromo e ao cromo-níquel não sejam resistentes em certos meios, como ácido clorídrico. Parece que nenhum dos elementos citados, sós ou combinados, em teores abaixo de 1% retarda materialmente a corrosão com exceção do cobre que já em teores de 0,2% retarda definitivamente a corrosão atmosférica, melhorando a resistência dos aços à corrosão atmosférica de 03 a 05 vezes, em relação aos aços sem cobre. A passividade dos aços resistentes à corrosão depende essencialmente dos seguintes fatores: - Composição química; - Condições de oxidação - Figura 1.68; - Susceptibilidade à corrosão localizada ("pitt") - Figura 1.69; - Susceptibilidade à corrosão intergranular - Figura 1.70.
  50. 50. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 50 Figura 1.68 – Exemplo de Oxidação Figura 1.69 – Exemplo de Corrosão Localizada Figura 1.70 – Exemplo de Corrosão Intergranular {1}
  51. 51. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 51 EROSÃO Os compressores operando em atmosfera suja, cheia de partículas (poeira), sofrem a ação da erosão pelas mesmas, devido à grande velocidade de seus componentes. A alteração das características das superfícies acarreta alteração do rendimento do compressor e fragilização mecânica, o que não é desejável. As turbinas sofrem a erosão da mesma forma, desde que haja partículas consideráveis no fluxo de gás quente. A combustão inadequada pode formar minúsculas partículas de carbono que podem provocar a erosão das palhetas. Para evitar esse problema é vital a utilização de filtros na entrada do compressor e inspecionar rigorosamente o sistema de combustível para assegurar combustão adequada. Materiais Comumente Utilizados Os metais têm sido tradicionalmente utilizados em aplicações onde há altos esforços e, ao mesmo tempo, alta temperatura. Por volta de 1930 devido ao desenvolvimento da tecnologia de vapor a alta temperatura e à petroquímica, esforços foram concentrados na descoberta de materiais resistentes a alta temperatura. Esta procura de materiais resistentes a alta temperatura resultou em um número bastante grande de ligas para alta temperatura em especial as a base de níquel. Até recentemente as turbinas a gás vinham utilizando somente materiais metálicos na sua construção. Atualmente há uma tendência, ainda em fase experimental, de se utilizar materiais ligados não metálicos. De um modo em geral, os reatores trabalham com temperaturas e rotações muito altas o que impõe uma vida útil da ordem de, aproximadamente 5.000 horas de funcionamento enquanto que para as turbinas industriais o funcionamento real é de cerca de 100.000 horas. Na escolha de materiais para turbina, um dos aspectos mais importantes a ser considerado é a alta tensão resistiva (tempo de aplicação) (Zeitstandfestigkeit – fluência) do material. Para o teste de indeformabilidade um corpo de prova é submetido a uma força de tração constante sob temperatura constante. A curva de tensão resistiva fornece informações sobre a dependência do tempo necessária à fratura com a tensão. A Figura 1.71 mostra o comportamento da tensão resistiva com a temperatura. Tomemos como exemplo a temperatura de 700°C onde para ( /1000 B s ) teremos 215N/mm2 significando que, para esta temperatura e este carregamento, após 1.000 horas ocorrerá a fratura do corpo de prova. Figura 1.71 – Tensão resistiva
  52. 52. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 52 Os materiais disponíveis e com boa qualidade resistiva são: - Aços cromo - Aços cromo níquel austeníticos - Aços CrNi de alta liga, Cr-Ni-Co-Fe - Ligas a base de níquel, - Ligas a base de cobalto, conforme indicado na Tabela 2 onde se vê sua designação e composição química. Figura 1.72 – Resistência (Creep) Figura 1.73 – Resistência (Creep)
  53. 53. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 53 Tabela 2 - Lista de metais normalmente utilizados em turbinas a gás A Figura 1.72 e a Figura 1.73 mostram o comportamento quanto à tensão resistiva para as ligas indicadas na Tabela 2. Apenas como termo de comparação foram também representados dois aços de baixa liga (números 1 e 2). Sob o aspecto físico temos a condutividade e a dilatação térmica e sob o aspecto químico temos a resistência a formação de escamas e a corrosão. CONDUTIVIDADE TÉRMICA Os aços austeníticos, ligas de níquel e cobalto, possuem má condutibilidade térmica e, como resultado pode aparecer alta tensão térmica no material. DILATAÇÃO TÉRMICA Os aços austeníticos apresentam o mais alto e menos desejável nível de dilatação térmica (1,4% a 8000C) contra 0,1% a 1000C. Isto acarreta problemas em montagem de peças nas quais usa-se aço de baixa liga.
  54. 54. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 54 INDICAÇÕES GERAIS - Para turbinas a gás aconselha-se o uso de aço cromo-martensítico (Nºs 3 a 4 da Tabela 2). O aço 12% cromo, por exemplo, é indicado para rotor e pás da turbina com temperatura não muito alta. Excelentes, porém caras são as ligas austeníticas Cr-Ni e Níquel base. - As primeiras ligas utilizadas para turbinas foram a “Nimonic” (Inglaterra) e “Inconel” (Estados Unidos) já descobertas em 1940. - A introdução de Cr resulta em um melhoramento da resistência à corrosão a alta temperatura (Cr 13%). - Nas novas ligas uma parte de Ni contido é substituído por Cobalto, Molibdênio e Tungstênio – sugestões são dadas pelos valores na Tabela 2. - Materiais sinterizados apresentam dificuldade na sua fabricação e pode-se dizer que, até o momento, não têm sido usados. - Recentemente materiais cerâmicos como o Nitrito de Sílica (Siliconitride – Si3N4) e o Siliconcarbid (Sic), estão sendo testados e aprimorados objetivando aplicação em turbinas a gás mas isto ainda acontece em caráter experimental. Comercialmente, só tem sido utilizados para unidades de pequeno porte como os turbo alimentadores. Entretanto o seu futuro é bastante promissor, pois temperaturas até 1500ºC podem ser atingidas com o emprego deste material. VIDA ÚTIL A vida útil da turbina é limitada em função da fluência do material. Entende-se por vida útil o tempo de funcionamento (horas) entre duas revisões gerais, na qual deverão ser substituídas as peças (partes) altamente carregadas. Com o objetivo de fornecer termos de comparação a Tabela 3 mostra a vida dos diferentes tipos de turbinas. Tabela 3 – Valor padrão para vida útil média de Turbinas a Gás
  55. 55. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 55 COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO Normalmente os combustíveis são de origem fóssil, constituindo os hidrocarbonetos podem conter impurezas como enxofre e cinzas. Gases combustíveis sintéticos (artificiais) como gás de alto forno, carvão de madeira gaseificado também podem ser usados. No caso de circuitos fechados pode-se, ainda, utilizar calor de rejeito de processos químicos (uso de trocador) ou ainda calor proveniente de reator nuclear onde o hélio é usado como fluído de trabalho. A Tabela 4 apresentam os principais combustíveis e suas principais características. Tabela 4 – Valores característicos de combustíveis para Turbinas a Gás Tipos de Combustíveis Dos combustíveis tradicionais temos 3 tipos: sólido, líquido e gasoso. COMBUSTÍVEL SÓLIDO Devido ao conteúdo de cinzas e demais impurezas (metal, enxofre, etc.), este tipo de combustível é geralmente utilizado em turbinas com circuitos fechados (podendo, em alguns arranjos, ser um circuito aberto- caso onde há necessidade de um trocador de calor). Particularmente aqui no Brasil existe um potencial bastante grande para uso deste tipo utilizando cavaco de madeira ou bagaço de cana encontrados em abundância. COMBUSTÍVEL LÍQUIDO Diversos tipos ocorrem desde os leves como o Querosene de uso aeronáutico até aos pesados como óleo cru (petróleo), cujo preço é o menor, porém com a desvantagem de ter um conteúdo de cinzas muito grande o que é altamente prejudicial ao funcionamento da turbina. ÓLEO PESADO (SCHWEREN HEIZOLE (D), BUNKER-C (ENGL.) OU MAZUT (USA) - Conteúdo de cinza 0,010 – 0,04% - necessita chama muito quente
  56. 56. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 56 - diminui vida útil - Diminui tempo carga parcial - formam depósitos - contém asfalto e betume (alcatrão) - perigo de formação de depósitos na câmara de combustão e nas pás - piora escoamento - perigo de danificação das pás devido ao desprendimento de pedaços de coque. - trabalho com temperatura 750ºC - deve conter pouco sódio. ÓLEO CRÚ - bom mas a maior parte dos componentes voláteis têm a tendência de formar coque Flutuante. DIESEL - é adequado porém caro. ÁLCOOL - é adequado porém o custo é alto. COMBUSTÍVEIS GASOSOS Os principais são gás pobre (gás de alto forno) e gás natural. GÁS POBRE - subproduto barato - baixo poder calorífico inferior - necessita uma dispendiosa Purificação (despoeiramento) - grande volume - dutos e câmara de Combustão grandes. - diferentes misturas podem causar corrosão. GÁS NATURAL - é o combustível ideal para turbinas - não há necessidade de limpeza - pressão é suficiente para injetar diretamente na câmara de combustão. GASEIFICAÇÃO DE CARVÃO - é também indicado, porém mais caro - no momento está em grande desenvolvimento.
  57. 57. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 57 Considerações Sobre Combustão Combustão é uma reação química (oxidação) exotérmica em que os reagentes são o combustível (normalmente hidrocarbonetos) e o comburente (normalmente o oxigênio do ar atmosférico). Da análise desta reação química podem ser determinadas diversas grandezas como Poder Calorífico (quantidade de calor que é fornecido por kg de combustível), Quantidade Mínima de Ar (relação estequiométrica), Dissociação, e outras de menor importância. Como a determinação destas grandezas é em função da análise da química, necessário se faz o prévio conhecimento da composição dos seus componentes (reagentes). O oxigênio (comburente) é o do ar atmosférico, cuja composição é dada na Tabela 5: Tabela 5 - Composição aproximada do ar atmosférico Os combustíveis têm sua composição variada dependendo de cada tipo. Entretanto, de modo geral, existe uma predominância de carbono ou de hidrogênio e, em menor quantidade, a presença de metais e de enxofre que é indesejável. O Poder Calorífico, necessário para os cálculos de consumo de combustível, pode ser obtido por meio de um Calorímetro ou pode ser calculado. Normalmente o fabricante do combustível fornece o seu valor. Adota-se aqui a notação: PCS e PCI para Poder Calorífico Superior e Inferior respectivamente, ambos em kJ/kg. Pode-se estimar o valor do PCI pelo uso da fórmula abaixo (composição gravimétrica): onde: C - carbono S - enxofre H - hidrogênio O - oxigênio Ni - nitrogênio W - tungstênio dados em percentagem em peso (gravimétrica).
  58. 58. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 58 QUANTIDADE DE AR MÍNIMO É estimado através de cálculo. É importante observar que para haja a combustão (reação), a mistura deve atingir o seu "ponto de inflamação", logo, necessita de aquecimento. O valor da quantidade de ar mínimo necessário (ar ideal ou estequiométrico) pode ser estimado pelo uso da fórmula abaixo em cujo desenvolvimento considera-se a quantidade mínima de oxigênio o que, entretanto, é corrigido posteriormente, tendo em vista que no ar atmosférico existem apenas 25% de oxigênio. Então: onde: C, H, S e O estão em parcelas de massa (kg/kgcomb) Na realidade, para garantir a combustão completa do combustível, deve-se considerar um certo excesso de ar, logo: onde l é a relação de excesso de ar, que varia de 1,05 a 1,5 dependendo do combustível - Tabela 6. Tabela 6 – Relação de excesso de ar por combustível Observação: Quanto maior o excesso de ar, menor será o calor fornecido. Como pode-se observar, a quantidade de ar mínimo (ar estequiométrico) necessário para a combustão dos combustíveis mais usados em turbinas a gás é de aproximadamente 14,5, situação em que a reação fornecerá mais calor, fornecendo então uma temperatura de combustão situada entre 2000 e 2800ºC. Entretanto, conforme já se sabe, a temperatura máxima admissível para turbinas a gás situa- se entre 700 e 1300ºC, devido às características dos materiais utilizados. Desta forma, para este tipo de máquina, se faz necessário um excesso de ar muito maior, uma vez que este ar atuará como refrigerante.
  59. 59. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 59 Nesta situação, os valores usuais para o excesso de ar ficam entre 3 e 5. Logo o ar necessário será dado por: Observação: No caso de turbinas aeronáuticas, esta relação pode atingir até 120 kgar/kgcomb. Em geral usa-se rc/a para indicar a relação combustível/ar, então: Isto mostra que a parcela correspondente ao combustível que aparece nos gases de escape fica entre 1,5 a 2,0% da massa de ar. Logo, termodinamicamente falando, os gases de escape podem ser considerados como tendo o mesmo comportamento do ar. Da análise da combustão (balanço de energia) é possível prever a temperatura máxima aproximada atingida na combustão: onde:
  60. 60. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 60 onde H, O e W são as parcelas em massa do combustível. Figura 2.74 – Calor específico médio para óleo combustível SISTEMA DE CONTROLE E OPERAÇÃO SISTEMA DE ADMISSÃO DE AR E ESCAPAMENTO. Consideraremos para análise somente as instalações industriais (turbinas a gás estacionárias). De um modo geral, as perdas de carga na admissão e no escapamento representam uma perda de potência da ordem de 3 a 5% da potência útil. Sistema de Admissão O ar deve chegar ao compressor isento de poeira e outras partículas. Se o local onde está o pacote é local de muita poeira, é preciso colocar filtro no duto de admissão. Entretanto, duto e filtro não devem apresentar perda de carga excessiva, pois pode reduzir bastante a potência disponível no pacote. O ruído pode ser importante fator a ser considerado, principalmente se o pacote estiver em locais povoados. Neste caso o duto de admissão deverá ser insonorizado. Os dispositivos de ionização podem introduzir perdas consideráveis na potência do grupo. Um pacote pode ser completamente insonorizado. Como perda de carga na admissão é permitido até cerca de 100 mm H20. Sistema de Escape Os gases de escape saem a temperaturas bastante elevadas (por exemplo, a 6400C, na PARAHYBA II a 6000C, na GARRET a 5000C) e deverão ser resfriados a temperaturas próximas da ambiente para não oferecer perigo. Costuma-se utilizar o próprio fluxo de gases quentes para arrastar considerável quantidade de ar frio de diluição para abaixar essas altas
  61. 61. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 61 temperaturas. Em outros casos os gases quentes são lançados diretamente na atmosfera, através de dutos verticais. Esses dutos devem ser insonorizados. Não devem ser de seção pequena, visto que os gases saem com grande velocidade e a perda de carga é considerável. A potência disponível no pacote é sensivelmente afetada pela perda de carga nos dutos de escape. Deve-se prever a não recirculação de gases quentes para os dutos de admissão pode até comprometer o funcionamento do pacote. Admite-se comumente para as turbinas industriais uma perda de carga na ordem de mm H2O no escapamento. SISTEMA DE PARTIDA E IGNIÇÃO. Sistema de Partida. Para a partida da turbina precisamos que exista um acessório para dar ao compressor uma rotação mínima a fim de que a massa de ar que está mandando para a câmara de combustão. Esses dois acessórios, motor de partida e sistema de ignição, são coordenados para funcionarem satisfatoriamente durante a partida, por um sistema automático, que corta a ignição após o motor atingir certa velocidade, em que a chama não se extinga. A partida pode ser: - Elétrica - Pneumática - Combustão - Outra partida menor PARTIDA ELÉTRICA Usa-se um menor acoplado diretamente à turbina, por meio de redução e embreagem. Esse motor elétrico deve girar o compressor até uma determinada velocidade, de acordo com uma curva de aceleração própria de cada turbina. A partir dessa rotação a turbina deverá ter potência suficiente para continuar acelerar-se e girar todos os demais acessórios, bem como o compressor. PARTIDA PNEUMÁTICA Consiste de uma pequena turbina a ar que serve para girar o compressor - Figura 1.75. O ar para acionar essa turbina deve provir de um compressor auxiliar externo (GPU). Em aviões com várias turbinas somente uma delas tem partida deste modo, enquanto que as demais usam ar do compressor do primeiro motor para acionar as respectivas turbinas de partida.
  62. 62. co ele ou PARTIDA Para pequ ombustível evado torq u 3 partidas Figura A POR CO uenas turb especial ( que de part s, uma vez a 1.76 – Pa Figu MBUSTÃO binas para por ex: nitr tida. Geral z que seu p artida por c ra 1.75 – M O: partidas em rato de iso mente a ca peso irá co combustão Curso d Motor de p m aeropor opropril) qu arga desse ompromete o (Triple-br de Complem artida pne tos mal eq ue não prec e combust er a carga reech cartr mentação de umática quipados. Q cisa de oxi ível espec do avião - ridge – car e Equipame Queima um igênio, forn ial dá apen Figura 1.7 rtucho cula ntos Rotativ m necendo nas para 2 76. atra tripla) vos 62 2
  63. 63. A Figura 1 PARTIDA 1.77 abaixo A POR OUT o dá idéia Figu TRA TURB Figura da seqüên ura 1.77 – BINA MEN 1.78 – Tur Curso d ncia de eve Seqüência NOR: rbina a gás de Complem entos num a típica de s auxiliar pa mentação de a partida t partida ara partida e Equipame ípica. a ntos Rotativvos 63
  64. 64. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 64 Sistema de Ignição Durante o período de aceleração, na partida, o sistema de ignição é acionado e o combustível é alimentado nos queimadores. A vela (plug) de ignição é colocada próxima ou na zona primária, no caso da câmara de combustão cannular somente em um ou dois tubos de chama. No caso aeronáutico usa-se “Surface- discharge igniter” alta potência – 3 J/s. No caso industrial é o usado “Touch igniter” que é composto de uma vela de ignição e um queimador de pulverização auxiliar em uma carcaça comum. Obs: O queimador auxiliar utiliza combustível destilado. INSTRUMENTAÇÃO Um de ensaios de turbinas, em testes de desenvolvimento ou de durabilidade, é vital o controle e registro do maior número possível de parâmetros. Os principais de medidas são: temperatura, pressão, vazão, vibração e ruído. Nesses tipos de testes não só é importante a precisão com que os instrumentos dão a leitura como também o conhecimento de matéria do pessoal que neles está trabalhando. São essas informações que permitirão ao fabricante desenvolver um produto que, além de responder à demanda, seja seguro quando em operação. Ciente de que seu produto satisfaz as exigências e regulamentos normalmente existentes nos países, o motor é entregue ao usuário sem a maior parte dos instrumentos que o acompanharam durante o desenvolvimento e ensaios de durabilidade, por serem praticamente desnecessários. Seguem com o motor apenas os instrumentos essenciais, como medidores de temperatura dos gases de escapamento (que dão indiretamente a temperatura de entrada no estágio de turbina), de pressão de óleo (uma vez que a lubrificação é vital nas turbinas), indicadores de RPM (comumente em % de RPM). Cada fabricante tem sua peculiaridade no que se refere às instruções para operação do motor ou do grupo. Para que a garantia possa ter variedade, os manuais devem ser seguidos à risca. Gostaria de enfatizar somente dois aspectos que são alarmantes no tocante á operação de turbinas, em geral. O primeiro se refere à temperatura de entrada da turbina. Uma operação fora dos limites estabelecidos pelo fabricante pode inutilizar completamente o motor, com riscos de catástrofe total. Como exemplo, notemos que uma determinada turbina, com palhetas feitas de um determinado aço especial, apresenta a seguinte característica quanto à vida dessa pá: Tabela 7 – Temperaturas obtidas por termopares
  65. 65. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 65 A conclusão é evidente, bastando lembrar que um aumento da temperatura de 800C anula a vida da palheta. Assim, a observação constante dos termopares que indicam a temperatura de escapamento é um dos itens importantes da manutenção. A utilização de termopares adequados é outra observação a que nos devemos ater. Por exemplo, mesma temperatura se medida em termopares diferentes ligados a um mesmo aparelho calibrado para um determinado tipo de termopar, pode dar leituras errôneas. O aparelho lê a tensão do termopar e a converte para a escala desejada (por exemplo, ºC). Uma tensão de 16 mV na saída dos termopares abaixo será interpretada como segue: Tabela 8 – Temperaturas obtidas por termopares A ligação dos termopares aos indicadores deve ser cuidadosa e os fios de compensação devem ser utilizados O segundo aspecto se refere a rotação do grupo. São projetados para trabalhar com segurança na RPM recomendada. Se, por algum motivo, passa a trabalhar em rotação mais elevada, as tensões nos discos e palhetes aumentam com o quadrado da rotação. Em alguns casos, como em turbinas pequenas cujos rotores são presos aos eixos por ajustagem fretada, pode haver o completo desprendimento do rotor. Além dos requisitos para operação da turbina devem-se levar em conta os estabelecidos pela parte de geração de energia, como no caso dos grupos geradores. NOÇÕES BÁSICAS DE MANUTENÇÃO O enorme crescimento da demanda de energia elétrica nos últimos 10 anos e o crescimento estimado para as próximas décadas criaram uma grande oportunidade para usinas utilizando turbinas a gás industriais. O conceito de “pacotes” geradores demonstrou muitas vantagens que permitiram o surgimento de novas aplicações. Algumas características que aceleraram esse crescimento são: - A flexibilidade da localização desses pacotes permite acesso a áreas de demandas sem custosas linhas de transmissão e distribuição. - O tamanho reduzido desses pacotes-usinas requer o mínimo de terreno e obras civis. - O tempo de instalação é mínimo, pois já vem praticamente montado da fábrica. - O tempo de entrega pelo fabricante é relativamente curto. - O R$/kW instalado compete com o de usinas térmicas maiores.
  66. 66. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 66 - O custo de operação está continuamente caindo. - Os pacotes podem operar de acordo com condições de demanda, sendo ligados ou desligados em poucos segundos. - Não compromete a ecologia, de acordo com as normas atuais. A aplicação do pacote para geração contínua é menos severa que a aplicação em pico devido aos freqüentes ciclos térmicos. Entretanto, quando pensamos em termos de tempo decorrido da instalação da unidade, não haverá muita diferença. As instalações para pico são comumente controladas e operadas remotamente, necessitando conseqüentemente de maior grau de sofisticação do sistema de controle do que as operadas manualmente. O sistema de controle remoto, bem como os necessários dispositivos de supervisão é muitas vezes mais complexo do que aquele necessário para operação manual. Quando outros requisitos adicionais como: queima de dois tipos de combustíveis, partida sem energia, partida elétrica, partida com motor diesel ou com outras turbinas menores, operação em sistemas de energia total, a complexidade do sistema de controle é aumentada. Esse alto grau de sofisticação resulta num novo aspecto de se encararem essas usinas, bem como na determinação da falha e manutenção desses equipamentos. Torna-se imprescindível o treinamento em eletrônica dos operadores e do pessoal de manutenção. A manutenção, em geral, não é bem vista pelo proprietário do grupo, por razões conhecidas. O procedimento de manutenção é muito controvertido. A gama de tipos de manutenção varia desde planejamento criterioso e execução das inspeções e revisões com relatórios completos das ações e contabilidade de custos, à operação das turbinas até a falha de algum equipamento e, aí, fazendo reparo necessário. Enfim, cada companhia escolhe o tipo de manutenção que melhor se adapte as suas necessidades. Como as variáveis em jogo são muitas, um critério razoável para guiar a manutenção é o registro dos requisitos reais de manutenção de equipamentos similares operando em condições similares (quando disponíveis). Em geral, os custos de manutenção podem ser minimizados com operação correta do equipamento. Similarmente se obtém melhores resultados da manutenção quando esta tem um planejamento cuidadoso. Em geral é a operação imprópria do equipamento a causa de sua deterioração ou quebra.
  67. 67. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 67 Condições que Afetam a Manutenção das Turbinas a Gás TIPO DE CARGA: Geração contínua: a condição mais desejável de trabalho para uma turbina a gás é em carga máxima e continuamente. Esse tipo de operação resulta em menores custos de manutenção por MW.h. As temperaturas nas palhetas das turbinas são constantes e as altas temperaturas das partidas deixam de existir, isto é, as palhetas não são submetidas a ciclos térmicos. Geração contínua com picos: a máxima carga possível é jogada na turbina por pouco tempo. Nesse tipo de operação visto que as palhetas das turbinas trabalham até uns 500C acima da temperatura ideal, estas (bem como todas as “partes-quentes”) são prejudicadas. A fluência dos metais se torna mais acelerada. Geração de pico: somente na hora de picos de demanda ou de emergência é que a turbina é acionada, recebendo carga normal ou sobrecarga por pequeno tempo, diariamente. Como o número de partidas é grande, a observância desse número é tão importante como a observância do número de horas de funcionamento da turbina. Durante a variação da temperatura durante a partida, cada partida pode ser comparada com 5 às 25h de funcionamento da parte quente do motor. TIPO DE TURBINA: Industrial: há pouca diferença entre os tipos de turbinas industriais que afetam a manutenção. Alguns projetos incorporam dispositivos que facilitam a manutenção. (boroscópio, etc.) Aeronáutica: o gerador de gás joga os gases quentes numa turbina livre de potência, completamente independente daquele e não há registro de melhora de manutenção desses tipos de turbinas OPERAÇÃO: 1. A operação em temperaturas acima das de projeto, podem ocorrer: - em partidas excessivamente rápidas - sistema de controle de temperaturas mal ajustado ou termopares incorretos - variação muito grande da temperatura de escapamento ao longo da seção onde se localizam os termopares - cargas flutuantes 2. Operação além do tempo estipulado de manutenção
  68. 68. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 68 POLÍTICA DE MANUTENÇÃO: É a expressão do modo com que a companhia pode melhor cuidar da manutenção. Deve estabelecer um programa prático, econômico, e confiável. Deve ser uma combinação das recomendações dos fabricantes e de recomendações que saiam dos dados adquiridos durante inspeções anteriores. RECOMENDAÇÕES DOS FABRICANTES: Obediência sega as recomendações dos fabricantes é obrigatória nos primeiros meses de uso. A vida provável da parte quente e os períodos entre inspeções e revisões são fixados de acordo com certos critérios, que variam de fabricante para fabricante. PROGRAMA DE MANUTENÇÃO, RELATÓRIOS E DADOS: O programa deve ser prático a fim de que possa ser modificado em virtude de mudanças nas cargas das turbinas ou dos procedimentos de partida. Deve ser confiável a fim de garantir o funcionamento da turbina e deve também ser econômico. Turbinas para trabalho de pico diário devem ser inspecionadas diariamente. Turbinas para trabalho de pico em certas estações do ano devem ter o seu programa de manutenção para ser executado durante a época de baixa demanda. Turbinas para geração contínua devem ser inspecionadas e revisadas de acordo com planos pré-estabelecidos, de tal forma que a geração de energia necessária não seja prejudicada. É nesses casos que a manutenção preventiva é de suma importância, para que uma turbina não fique fora de operação por longo período à necessidade de uma manutenção corretiva (há casos em que a turbina deve ser mandada para a fábrica para reparos!). É óbvio que é preciso ter u, retrato fiel das condições internas da máquina em todo instante. Quando o registro manual de dados for possível, fichas de inspeções diárias, semanais, mensais, devem ser preenchidas criteriosamente. Em instalações remotas, funcionando sem operadores, devem-se providenciar registradores adequados. Esses dados, enviados aos fabricantes, possibilitam melhor assistência e a formulação de um programa de manutenção adequado. PROGRAMA DE MANUTENÇÃO: Um programa de manutenção corretiva deve seguir as observações dos fabricantes e só pode ser iniciado após o conhecimento geral do equipamento. A experiência de manutenção ganha durante a operação do motor pode ser aproveitada para melhorar o programa e para formular outro programa de manutenção preventiva. Muitos usuários acham extremamente importante o preenchimento de fichas diárias, semanais anuais, compostas de itens que devem ser conferidos ou de trabalhos a serem feitos.
  69. 69. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 69 CLASSIFICAÇÃO DA MANUTENÇÃO: Em geral, a manutenção de todos os tipos de turbinas a gás pode ser classificada nos seguintes itens: A) EM OPERAÇÃO É o tipo de manutenção que deve ser feita durante a operação da máquina e pode ser incluído normalmente nos trabalhos do operador; B) INSPEÇÕES DE ROTINA. Nesse tipo de inspeção é necessário desligar a turbina por pequeno período (até uma semana), para inspeção e troca de peças. Ocorre comumente após 3000 a 6000h de funcionamento (ou 150 a 250 partidas). A câmara de combustão deve ser inspecionada para ver se apresenta rachaduras ou áreas de superaquecimentos. C) REVISÃO PARCIAL. Geralmente de ser feita após o 1 ano de uso: 8000h ou 250 partidas e um prazo de 7 a 30 dias pode ser previsto. Deve-se remover a parte da carcaça a fim de que se examine minuciosamente todo o caminho dos gases quentes. O aspecto geral desse caminho irá determinar o intervalo entre a revisão e a próxima. D) REVISÃO GERAL Requer de 1 a 2 meses de parada e é feito após 24.000 horas de serviço ou 800 partidas e requer revisão geral do motor. OUTROS ASPECTOS: A primeira inspeção ou revisão fornecem os mais importantes dados para a história da manutenção do motor e deve ser feito sob as vistas de engenheiro da fábrica. Todos os dados devem ser anotados e comparados com os padrões de fábrica para se saber há algum problema em curso. As inspeções subseqüentes são também importantes no sentido de conferir as recomendações dos fabricantes e para ajudar na formação do programa de manutenção. Ao se aproximar a data para essas inspeções, deve-se procurar o fabricante para acertar tudo o que for necessário. Antes de se retirar a turbina deve-se fazer um teste geral de funcionamento, de preferência na presença de engenheiro da fábrica. Cuidados especiais devem ser tomados com referência a: - aumento ou mudança na vibração - mudança na temperatura ou pressão do óleo de lubrificação - vazamento de ar ou de gases através dos labirintos - leituras desconcertantes dos termopares - vazamentos
  70. 70. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 70 - funcionamento das válvulas de controle de combustível - variações das pressões hidráulicas de controle - barulho diferente no governador - aumento de barulho nas engrenagens de caixa de redução - funcionamento correto dos protetores de sobrevelocidade - variação da temperatura de escape para mesma carga e condições ambientes - diminuição de queda de pressão através dos trocadores de calor. Como fixamos anteriormente, a turbina a gás deve ser inspecionada em períodos pré estabelecidos a fim de detectar qualquer tipo de anormalidades do funcionamento ou do material. Em caso de motor aeronáutico, quando o motor atinge certo número de horas ou quando se verifica qualquer defeito, o mesmo é retirado do avião e submetido à revisão parcial ou total. O tempo entre duas revisões (TBO) varia consideravelmente de motor para motor e é estabelecido por acordo entre fabricante, órgão oficial de aviação e operador. Nestas discussões, a idoneidade do fabricante, as condições climáticas do local onde o motor irá operar, tipo de operação, experiência anterior, serão levados em conta. Houve muita discussão se considerava o motor revisado como novo, zerando suas horas e se levava em conta o total já utilizado. Hoje em dia a maioria dos fabricantes considera o motor que saiu de revisão geral como novo, dando-lhe todas as garantias. A importância da manutenção inclui fatores econômicos e de segurança. Assim sendo, a manutenção correta e periódica irá prolongar a vida do motor além de conservar suas características e confiabilidade. Entretanto, convém lembrar que a manutenção de um motor, pelas sérias implicações que pode acarretar, deve ser feita em oficina credenciada. Por oficina credenciada queremos entender uma que satisfaz os requisitos de pessoal e de material, da comissão de homologação de órgãos oficiais. Uma oficina de revisão credenciada deve ter condições para efetuar quaisquer tipos de reparos que sejam necessários para uma boa revisão. Por uma boa revisão não só entendemos a qualidade do serviço, mas também os métodos e técnicas utilizadas. Uma oficina deverá ter uma disposição de setores bem estudada, para evitar estrangulamento e permitir o fluxo livre de materiais, necessitando ser, portanto, espaçosa. Pelo tipo e qualidade de serviço, as condições ambientes de uma oficina de revisão deverão ser ótimas, para permitir leituras precisas e constância na qualidade. Numa oficina de revisão, o setor mais solicitado deverá ser o de controle de qualidade. Esse Departamento deverá ser autônomo, com poderes de rejeitar lotes de peças que entram no almoxarifado e oficina ou de parar a produção se julgar necessário, a bem da qualidade.
  71. 71. Curso de Complementação de Equipamentos Rotativos 71 2 - Turbinas a Vapor Introdução a Turbina a Vapor 2.1 – Introdução Turbina a Vapor é uma Máquina Térmica que utiliza a energia contida no vapor sob forma de energia térmica e de pressão. A turbina a vapor é o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primários existentes, com exceção do motor elétrico. Uma de características favoráveis concorreu para que a turbina a vapor se destacasse na competição com outros acionadores primários, como a turbina hidráulica, o motor de combustão interna e a turbina a gás. A figura 2.1 mostra alguns exemplos de turbinas a vapor. Uma turbina a vapor tem como objetivo transformar a energia contida no fluxo contínuo de um vapor em trabalho mecânico. O rendimento do ciclo térmico a vapor, bastante satisfatório, melhora à medida que aumentam a potência das máquinas e as pressões e temperaturas de geração de vapor. É uma máquina rotativa pura, isto é, a força acionadora é aplicada diretamente no elemento rotativo da máquina. Os impulsos aplicados pelo vapor nas palhetas da turbina são regulares, fazendo com que o torque aplicado no acoplamento da turbina seja uniforme. Entre as características mais importantes das turbinas a vapor, podemos citar: facilidade de controle, a possibilidade de variação de velocidade, grande confiabilidade operacional, facilidade de operação, operam em altas rotações e vida útil longa. Os principais usos de uma turbina a vapor são: acionamento de geradores elétricos em centrais termelétricas convencionais ou nucleares e acionamento mecânico de outros equipamentos rotativos (bombas, compressores, ventiladores). O elemento básico da turbina é a roda ou rotor, que conta com paletas, hélices, lâminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, como mostrado na figura 2.1. Nesta composição o fluido em movimento produz uma força tangencial que impulsiona a roda, fazendo-a girar. Essa energia mecânica é transferida através de um eixo para movimentar uma máquina, um compressor, um gerador elétrico ou um a hélice. Figura 2.1 – Exemplos de Turbinas a Vapor

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